Die Wachstumsrate von Verbundwerkstoffen liegt bei 6 % bis 7 % pro Jahr. Sie werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, von der Luftfahrt bis zum Gesundheitswesen, oft als Ersatz für Metalle. Die Konstruktion von Verbundwerkstoffteilen ist jedoch weitaus komplexer als die ihrer Metallpendants, und es gibt ebenso viele verschiedene Arten von Fehlern.
Sophie Toillon, Ingenieurin bei Cetim und Referentin für die Fehleranalyse von Polymer- und Verbundwerkstoffteilen, nimmt dies genauer unter die Lupe.
Warum ist die Fehleranalyse von
Verbundwerkstoffteilen ein komplexer Prozess?
Sophie Toillon: Da es sich um eine relativ neue Entwicklung handelt, wird noch intensiv geforscht und entwickelt, um die Schadensmechanismen besser zu verstehen. Aufgrund ihrer organischen Beschaffenheit reagieren Verbundwerkstoffe besonders empfindlich auf ihre Betriebsumgebung (Feuchtigkeit, Chemikalien, Temperatur, Druck usw.).
Darüber hinaus ist jeder Verbundwerkstoff von Natur aus einzigartig, was die Analyse zusätzlich erschwert. Dies ist auf die Wahl der Harze und Fasern zurückzuführen, aus denen die Verbundwerkstoffe bestehen, sowie auf Faktoren wie die Verstärkungslagenfolge. So weisen beispielsweise zwei Verbundwerkstoffproben mit unterschiedlicher Ausrichtung nicht das gleiche mechanische Verhalten auf. Ein weiterer Grund ist die Vielzahl unterschiedlicher Herstellungsverfahren und die damit verbundenen potenziellen Fehlerquellen. Derzeit gibt es keine allgemeine Regel zur Definition des Schadensgrades eines Fehlers. Spezifische Kenntnisse in den Bereichen Werkstoffe, Produkte und Verfahren sind daher unerlässlich, um die Versagensmechanismen dieser Werkstoffe richtig zu verstehen.
Wie können also Fehler in
Verbundwerkstoffen verhindert und die Lebensdauer eines Produkts verlängert
werden?
S. T.: Es gibt viele Ursachen für Fehler in Verbundbauteilen. Dazu gehören Konstruktionsfehler, Fehler oder Besonderheiten, die während der Herstellung entstehen und bei der Dimensionierung nicht berücksichtigt werden. Fehler können auch durch eine unsachgemäße oder unerwartete Verwendung des Produkts entstehen. Ein Beispiel hierfür wäre ein Verbundrohr, das aufgrund von Wasserschlägen oder einer Verringerung seiner mechanischen Eigenschaften bei Kontakt mit der transportierten Flüssigkeit bricht. Diese Ausfälle hätten durch eine vorherige hydraulische Untersuchung des Netzes oder durch mechanische Tests an vorkonditionierten Proben in der Betriebsumgebung vermieden werden können.
Rückmeldungen aus der Begutachtung von aus dem Feld zurückgegebenen Teilen sowie aus Qualifizierungstests tragen dazu bei, unser Verständnis der Schadensmechanismen und ihrer Einflussfaktoren zu verbessern. Sie bilden auch die Grundlage für die Optimierung der Konstruktion eines Verbundwerkstoffteils, die Verbesserung der Robustheit eines Fertigungsprozesses und damit die Verbesserung der Endqualität und Langlebigkeit des Produkts.
Darüber hinaus kann die Fehleranalyse dazu dienen, die relevanten Kontrollen oder Inspektionen zu bestimmen, die während des Betriebs an der Struktur durchgeführt werden müssen (SHM – Structural Health Monitoring). In diesem Bereich werden beispielsweise optische Fasern eingesetzt, um die Dehnung in den Rümpfen von Rennbooten zu überwachen. Akustische Emissionen werden für In-situ-Messungen in Druckbehältern verwendet. Diese kontinuierlichen Tests erleichtern die frühzeitige Erkennung von Schäden, sodass Reparaturen vor dem Ausfall durchgeführt werden können, und liefern zuverlässige Daten für die Ermittlung der Restlebensdauer von Bauteilen.
Wie können wir diese Analyse nutzen, um
Hersteller bei der Bewältigung der neuen ökologischen Herausforderungen zu
unterstützen?
S. T.: Der Einsatz von Verbundwerkstoffen erfüllt einige der Herausforderungen der Umwelt- und Energiewende, d. h. die Entwicklung neuer Energiequellen, nachhaltige Mobilität durch Gewichtsreduzierung, Langlebigkeit und Reparaturfähigkeit. Sie bringt jedoch auch neue Herausforderungen mit sich, die es erforderlich machen, das Verhalten von Verbundwerkstoffen unter potenziell härteren Bedingungen und in neuen Umgebungen vorherzusagen. Außerdem müssen wir uns mit neuen Materialien wie biobasierten Produkten befassen und die Auswirkungen des Recyclings auf die Lebensdauer einer Struktur verstehen.
Cetim nutzt seine Forschungs- und Entwicklungsarbeit sowie Rückmeldungen aus der Praxis, um bestimmte technologische Hürden zu identifizieren und zu beseitigen.
Insbesondere ist Cetim an europäischen Projekten wie dem Thor-Projekt beteiligt, dessen Ziel die Entwicklung eines recycelbaren Demonstrators für einen thermoplastischen Speichertank für Wasserstoff ist. Die Labore von Cetim haben außerdem neue Geräte angeschafft, um das Verhalten von Materialien unter spezifischen Betriebsbedingungen, darunter auch kryogene Umgebungen, zu charakterisieren.
Schließlich fördert Cetim die Kompetenzen der Hersteller, um diese Veränderungen durch Unterstützungsinitiativen und neue Schulungskurse der Cetim Academy® [SP1] vorwegzunehmen.
[SP1]Link zur Cetim academy